單片機(jī)__基于PROTEUS的多功能數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)

1、單片機(jī)課程設(shè)計(jì)基于PROTEUS的多功能數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì) 前 言單片機(jī)技術(shù)是現(xiàn)代電子工程領(lǐng)域一門迅速發(fā)展的技術(shù)，它的應(yīng)用已經(jīng)滲透到各種嵌入式系統(tǒng)中?？梢院敛豢鋸埖卣f：掌握單片機(jī)技術(shù)是電子信息類專業(yè)學(xué)生就業(yè)的一個重要條件。同時單片機(jī)技術(shù)又是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科。課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)和實(shí)施，在很大程度上決定了學(xué)生對單片機(jī)技術(shù)的掌握程度。為了更好地完成課程設(shè)計(jì)這一重要教學(xué)環(huán)節(jié)，我們采用Proteus軟件與Keil軟件整合構(gòu)建單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺。學(xué)生首先在PC上利用Proteus軟件自己搭建硬件電路，并利用系統(tǒng)提供的功能完成電路分析、系統(tǒng)調(diào)試和輸出顯示的硬件設(shè)計(jì)部分；同時在Keil軟件中編制程序，進(jìn)

2、行相應(yīng)的編譯和仿真，完成系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分。當(dāng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作完成后，學(xué)生可以在PC上看到最終的運(yùn)行效果。最后再通過proteus設(shè)計(jì)PCB，再完成真正硬件的調(diào)試。采用以上方案具有以下優(yōu)勢：有利于促進(jìn)課程和教學(xué)改革，更有利于人才的培養(yǎng)；從經(jīng)濟(jì)性、可移植性、可推廣性角度講，建立這樣的課程設(shè)計(jì)平臺是非常有意義的；利用仿真系統(tǒng)，可以節(jié)約開發(fā)時間和開發(fā)成本；利用仿真系統(tǒng)，具有很大的靈活性和可擴(kuò)展性。第一章 概述Proteus ISIS是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件。它運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(SPICE)各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)

3、仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動態(tài)仿真、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境

4、，如Keil C51 uVision2等軟件。具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能?？傊?，該軟件是一款集單片機(jī)和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強(qiáng)大。本章介紹Proteus ISIS軟件的工作環(huán)境和一些基本操作。一、進(jìn)入Proteus ISIS雙擊桌面上的ISIS 6 Professional圖標(biāo)或者單擊屏幕左下方的“開始”“程序”“Proteus 6 Professional” “ISIS 6 Professional”，出現(xiàn)如圖1-1所示屏幕，表明進(jìn)入Proteus ISIS集成環(huán)境。圖1-1 啟動時的屏幕二、工作界面Proteus ISIS的工作界面是一種標(biāo)準(zhǔn)的Windows界面，如圖1-2

5、所示。包括：標(biāo)題欄、主菜單、標(biāo)準(zhǔn)工具欄、繪圖工具欄、狀態(tài)欄、對象選擇按鈕、預(yù)覽對象方位控制按鈕、仿真進(jìn)程控制按鈕、預(yù)覽窗口、對象選擇器窗口、圖形編輯窗口。圖1-2 Proteus ISIS的工作界面第二章 基于單片機(jī)的仿真例子單片機(jī)電路設(shè)計(jì)如圖所示。電路的核心是單片機(jī)AT89C51。單片機(jī)的P1口八個引腳接LED顯示器的段選碼（a、b、c、d、e、f、g、dp）的引腳上，單片機(jī)的P2口六個引腳接LED顯示器的位選碼（1、2、3、4、5、6）的引腳上，電阻起限流作用，總線使電路圖變得簡潔。程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)LED顯示器的選通并顯示字符。電路圖的繪制 1、將所需元器件加入到對象選擇器窗口。Picking

6、 Components into the Schematic 單擊對象選擇器按鈕，如圖所示彈出“Pick Devices”頁面，在“Keywords”輸入AT89C51，系統(tǒng)在對象庫中進(jìn)行搜索查找，并將搜索結(jié)果顯示在“Results”中，如圖所示。在“Results”欄中的列表項(xiàng)中，雙擊“AT89C51”，則可將“AT89C51”添加至對象選擇器窗口。 接著在“Keywords”欄中重新輸入7SEG，如圖所示。雙擊“7SEG-MPX6-CA-BLUE”，則可將“7SEG-MPX6-CA-BLUE”(6位共陽7段LED顯示器)添加至對象選擇器窗口。最后，在“Keywords”欄中重新輸入RES，

7、選中“Match Whole Words”,如圖所示。在“Results”欄中獲得與RES完全匹配的搜索結(jié)果。雙擊“RES”，則可將“RES”(電阻)添加至對象選擇器窗口。單擊“OK”按鈕，結(jié)束對象選擇。經(jīng)過以上操作，在對象選擇器窗口中，已有了7SEG-MPX6-CA-BLUE、AT89C51、RES三個元器件對象，若單擊AT89C51，在預(yù)覽窗口中，見到AT89C51的實(shí)物圖，如圖所示；若單擊RES或7SEG-MPX6-CA-BLUE，在預(yù)覽窗口中，見到RES和7SEG-MPX6-CA-BLUE的實(shí)物圖，如圖所示。此時，我們已注意到在繪圖工具欄中的元器件按鈕處于選中狀態(tài)。 2、放置元器件至圖

8、形編輯窗口Placing Components onto the Schematic在對象選擇器窗口中，選中7SEG-MPX6-CA-BLUE，將鼠標(biāo)置于圖形編輯窗口該對象的欲放位置、單擊鼠標(biāo)左鍵，該對象被完成放置。同理，將AT89C51和RES放置到圖形編輯窗口中。如圖所示。若對象位置需要移動，將鼠標(biāo)移到該對象上，單擊鼠標(biāo)右鍵，此時我們已經(jīng)注意到，該對象的顏色已變至紅色，表明該對象已被選中，按下鼠標(biāo)左鍵，拖動鼠標(biāo)，將對象移至新位置后，松開鼠標(biāo)，完成移動操作。由于電阻R1R8的型號和電阻值均相同，因此可利用復(fù)制功能作圖。將鼠標(biāo)移到R1，單擊鼠標(biāo)右鍵，選中R1，在標(biāo)準(zhǔn)工具欄中，單擊復(fù)制按鈕，拖動

9、鼠標(biāo)，按下鼠標(biāo)左鍵，將對象復(fù)制到新位置，如此反復(fù)，直到按下鼠標(biāo)右鍵，結(jié)束復(fù)制。此時我們已經(jīng)注意到，電阻名的標(biāo)識，系統(tǒng)自動加以區(qū)分。3、放置總線至圖形編輯窗口單擊繪圖工具欄中的總線按鈕，使之處于選中狀態(tài)。將鼠標(biāo)置于圖形編輯窗口，單擊鼠標(biāo)左鍵，確定總線的起始位置；移動鼠標(biāo)，屏幕出現(xiàn)粉紅色細(xì)直線，找到總線的終了位置，單擊鼠標(biāo)左鍵，再單擊鼠標(biāo)右鍵，以表示確認(rèn)并結(jié)束畫總線操作。此后，粉紅色細(xì)直線被藍(lán)色的粗直線所替代，如圖所示。4、元器件之間的連線Wiring Up Components on the SchematicProteus的智能化可以在你想要畫線的時候進(jìn)行自動檢測。下面，我們來操作將電阻R1的

10、右端連接到LED顯示器的A端。當(dāng)鼠標(biāo)的指針靠近R1右端的連接點(diǎn)時，跟著鼠標(biāo)的指針就會出現(xiàn)一個“×”號，表明找到了R1的連接點(diǎn)，單擊鼠標(biāo)左鍵，移動鼠標(biāo)(不用拖動鼠標(biāo))，將鼠標(biāo)的指針靠近LED顯示器的A端的連接點(diǎn)時，跟著鼠標(biāo)的指針就會出現(xiàn)一個“×”號，表明找到了LED顯示器的連接點(diǎn)，同時屏幕上出現(xiàn)了粉紅色的連接，單擊鼠標(biāo)左鍵，粉紅色的連接線變成了深綠色，同時，線形由直線自動變成了90º的折線，這是因?yàn)槲覀冞x中了線路自動路徑功能。Proteus具有線路自動路徑功能(簡稱WAR)，當(dāng)選中兩個連接點(diǎn)后，WAR將選擇一個合適的路徑連線。WAR可通過使用標(biāo)準(zhǔn)工具欄里的“WAR”

11、命令按鈕來關(guān)閉或打開，也可以在菜單欄的“Tools”下找到這個圖標(biāo)。同理，我們可以完成其它連線。在此過程的任何時刻，都可以按ESC鍵或者單擊鼠標(biāo)的右鍵來放棄畫線。 5、元器件與總線的連線畫總線的時候?yàn)榱撕鸵话愕膶?dǎo)線區(qū)分，我們一般喜歡畫斜線來表示分支線。此時我們需要自己決定走線路徑，只需在想要拐點(diǎn)處單擊鼠標(biāo)左鍵即可，如圖所示。6、給與總線連接的導(dǎo)線貼標(biāo)簽PART LABELS單擊繪圖工具欄中的導(dǎo)線標(biāo)簽按鈕，使之處于選中狀態(tài)。將鼠標(biāo)置于圖形編輯窗口的欲標(biāo)標(biāo)簽的導(dǎo)線上，跟著鼠標(biāo)的指針就會出現(xiàn)一個“×”號，如圖所示。表明找到了可以標(biāo)注的導(dǎo)線，單擊鼠標(biāo)左鍵，彈出編輯導(dǎo)線標(biāo)簽窗口，如圖所示。 在

12、“string”欄中，輸入標(biāo)簽名稱(如a)，單擊“OK”按鈕，結(jié)束對該導(dǎo)線的標(biāo)簽標(biāo)定。同理，可以標(biāo)注其它導(dǎo)線的標(biāo)簽，如圖所示。注意，在標(biāo)定導(dǎo)線標(biāo)簽的過程中，相互接通的導(dǎo)線必須標(biāo)注相同的標(biāo)簽名。 至此，完成了整個電路圖的繪制。源程序。源程序如下：#define LEDS 6#include "reg51.h"/led燈選通信號unsigned char code Select=0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20;unsigned char code LED_CODES= 0xc0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,/0-4 0x92,0x82,0

13、xF8,0x80,0x90,/5-9 0x88,0x83,0xC6,0xA1,0x86,/A,b,C,d,E 0x8E,0xFF,0x0C,0x89,0x7F,0xBF/F,空格,P,H,.,- ;void main() char i=0; long int j; while(1) P2=0; P1=LED_CODESi; P2=Selecti; for(j=3000;j>0;j-); /該LED模型靠脈沖點(diǎn)亮，第i位靠脈沖點(diǎn)亮后，會自動熄來頭。/修改循環(huán)次數(shù)，改變點(diǎn)亮下一位之前的延時，可得到不同的顯示效果。 i+; if(i>5) i=0; 第三章 基于51單片機(jī)的數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)任

14、 務(wù) 書一、 任務(wù) 設(shè)計(jì)一款電子鐘。二、 設(shè)計(jì)要求（一）合格要求：用PROTEUS畫出原理圖和PCB圖，并完成下列任務(wù)： 用4只LED數(shù)碼管輸出顯示時和分。 可通過按鍵設(shè)置鬧鐘功能，且停鬧無須手工操作。 可通過按鍵設(shè)置分校時。(4) 寫出詳細(xì)的設(shè)計(jì)報告。(5) 給出電路的原理圖、PCB圖和源程序。（二）優(yōu)秀要求：根據(jù)PCB圖制作PCB板，并焊接元件調(diào)試數(shù)字電子鐘 目前市場上提供的無論是機(jī)械鐘還是石英鐘在晚上無照明的情況下都是不可見的。要知道當(dāng)前的時間，必須先開燈，故較為不便?，F(xiàn)在市場上也出現(xiàn)了一些電子鐘，它以六只LED數(shù)碼管來顯示時分秒，與傳統(tǒng)的以指針顯示秒的方式不同，違背了人們傳統(tǒng)的習(xí)慣與理

15、念，而且這類電子鐘一般是采用大型顯示器件，適用于銀行、車站等公共場所，且外觀設(shè)計(jì)欠美觀，很少進(jìn)入百姓家庭。此外，無論是機(jī)械鐘、石英鐘還是電子鐘，都存在著共同的問題：時間誤差。針對以上存在的問題，我們設(shè)計(jì)了一款采用LED顯示器件顯示的電子時鐘，有效克服了時鐘存在的誤差問題。1 系統(tǒng)主要功能 電子鐘的主要功能有：整點(diǎn)報時；四只LED數(shù)碼管顯示當(dāng)前時分；并且具有鬧鐘功能。2 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及功能電腦鐘的原理框圖如圖1所示。它由以下幾個部件組成：單片機(jī)89C2051、電源、時分顯示部件。時分顯示采用動態(tài)掃描，以降低對單片機(jī)端口數(shù)的要求，同時也降低系統(tǒng)的功耗。時分顯示模塊以及顯示驅(qū)動都通過89C2051

16、的I/O口控制。電源部分：電源部分有二部分組成。一部分是由220V的市電通過變壓、整流穩(wěn)壓來得到+5V電壓，維持系統(tǒng)的正常工作。 圖1 電子鐘系統(tǒng)原理框圖21 AT89C2051單片機(jī)及其引腳說明AT89C2051單片機(jī)是51系列單片機(jī)的一個成員，是8051單片機(jī)的簡化版。內(nèi)部自帶2K字節(jié)可編程FLASH存儲器的低電壓、高性能COMS八位微處理器，與Intel MCS-51系列單片機(jī)的指令和輸出管腳相兼容。由于將多功能八位CPU和閃速存儲器結(jié)合在單個芯片中，因此，AT89C2051構(gòu)成的單片機(jī)系統(tǒng)是具有結(jié)構(gòu)最簡單、造價最低廉、效率最高的微控制系統(tǒng)，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，減少了硬

17、件開銷，節(jié)省了成本，提高了系統(tǒng)的性價比。AT89C2051是一個有20個引腳的芯片，引腳配置如圖3所示。與8051相比，AT89C2051減少了兩個對外端口（即P0、P2口），使它最大可能地減少了對外引腳下，因而芯片尺寸有所減小。圖2 AT89C2051引腳配置AT89C2051芯片的20個引腳功能為：VCC 電源電壓。GND 接地。RST 復(fù)位輸入。當(dāng)RST變?yōu)楦唠娖讲⒈３?個機(jī)器周期時，所有I/O引腳復(fù)位至“1”。XTAL1 反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2 來自反向振蕩放大器的輸出?！?” 后，可用作輸入。在閃速編程與編程校驗(yàn)期間，P1口也可接收編碼數(shù)據(jù)?！?”后

18、，內(nèi)部上拉，可用輸入。P3口也可用作特殊功能口，其功能見表1。P3口同時也可為閃速存儲器編程和編程校驗(yàn)接收控制信號。22 時分顯示部件由于系統(tǒng)要顯示的內(nèi)容較簡單，顯示量不多，所以選用數(shù)碼管既方便又經(jīng)濟(jì)。LED有共陰極和共陽極兩種。如圖7所示。二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地，而共陽極則將發(fā)光二極管的陽極連接在一起，接入+5V的電壓。一位顯示器由8個發(fā)光二極管組成，其中7個發(fā)光二極管構(gòu)成字型“8”的各個筆劃（段）ag，另一個小數(shù)點(diǎn)為dp發(fā)光二極管。當(dāng)在某段發(fā)光二極管施加一定的正向電壓時，該段筆劃即亮；不加電壓則暗。為了保護(hù)各段LED不被損壞，需外加限流電阻。圖3 LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)原理圖

19、眾所周知，LED顯示數(shù)碼管通常由硬件7段譯碼集成電路，完成從數(shù)字到顯示碼的譯碼驅(qū)動。本系統(tǒng)采用軟件譯碼，以減小體積，降低成本和功耗，軟件譯碼的另一優(yōu)勢還在于比硬件譯碼有更大的靈活性。所謂軟件譯碼，即由單片機(jī)軟件完成從數(shù)字到顯示碼的轉(zhuǎn)換。從LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)原理可知，為了顯示字符，要為LED顯示數(shù)碼管提供顯示段碼，組成一個“8”字形字符的7段，再加上1個小數(shù)點(diǎn)位，共計(jì)8段，因此提供給LED數(shù)碼管的顯示段碼為1個字節(jié)。各段碼位與顯示段的對應(yīng)關(guān)系如表1。表1 各段碼位的對應(yīng)關(guān)系段碼位D7D6D5D4D3D2D1D0顯示段dpgfedcba需說明的是當(dāng)用數(shù)據(jù)口連接LED數(shù)碼管adp引腳時，不同的連接方法

20、，各段碼位與顯示段有不同的對應(yīng)關(guān)系。通常數(shù)據(jù)口的D0位與a段連接，D1位與b段連接，D7位與dp段連接,如表1所示，表2為用于LED數(shù)碼管顯示的十六進(jìn)制數(shù)和空白字符與P的顯示段碼。表2 LED顯示段碼字型共陽極段碼共陰極段碼字型共陽極段碼共陰極段碼0C0H3FH990H6FH1F9H06HA88H77H2A4H5BHB83H7CH3BOH4FHCC6H39H499H66HDA1H5EH592H6DHE86H79H682H7DHF84H71H7F8H07H空白FFH00H880H7FHP8CH73H注：（1）本表所列各字符的顯示段碼均為小數(shù)點(diǎn)不亮的情況。 （2）“空白”字符即沒有任何顯示。根據(jù)A

21、T89C2051單片機(jī)灌電流能力強(qiáng)，拉電流能力弱的特點(diǎn)，我們選用共陽數(shù)碼管。將AT89C2051的P1.0P1.7分別與共陽數(shù)碼管的ag及dp相連，高電平的位對應(yīng)的LED數(shù)碼管的段暗，低電平的位對應(yīng)的LED數(shù)碼管的段亮，這樣，當(dāng)P0口輸出不同的段碼，就可以控制數(shù)碼管顯示不同的字符。例如：當(dāng)P0口輸出的段碼為1100 0000，數(shù)碼管顯示的字符為0。數(shù)碼管顯示器有二種工作方式，即靜態(tài)顯示方式和動態(tài)掃描顯示方式。為節(jié)省端口及降低功耗，本系統(tǒng)采用動態(tài)掃描顯示方式。動態(tài)掃描顯示方式需解決多位LED數(shù)碼管的“段控”和“位控”問題，本電路的“段控”（即要顯示的段碼的控制）通過P0口實(shí)現(xiàn)；而每一位的公共端，即LED數(shù)碼管的“位控”，則由P3口控制。這種連接方式由于多位字段線連在一起，因此，要想顯示不同的內(nèi)容，必然要采取輪流顯示的方式，即在某一瞬間，只讓其中的某一位的字位線處于選通狀態(tài)，其它各位的字位線處于斷開狀態(tài)，同時字段線上輸出這一位相應(yīng)要顯示字符的字段碼。在這一瞬時，只有這一位在顯示，其他幾位則暗。在本系統(tǒng)中,字位線的選通與否是通過PNP三極管的導(dǎo)通與截止來控制,即三極管處于“開關(guān)”狀態(tài)。系統(tǒng)的時分顯示部件由4只7段共陽LED數(shù)碼管構(gòu)成，前兩只用于時的顯示，后兩只用于分的顯示。值得一提的是，在設(shè)計(jì)中需要實(shí)現(xiàn)時與分之間的兩個閃爍點(diǎn)，為此，將第三只LED數(shù)碼管倒置擺